Система на кристалле ZFx86.

В. Ломакин

Система на кристалле ZFx86

Новая разработка фирмы ZF Micro Devices ZFx86, состоящая из центрального процессора x86 архитектуры и подсистемы периферии, интегрированных на один кристалл, является представителем современного, эффективно развивающегося класса микросхем высокой степени интеграции - систем на кристалле (System оn Chip - SoC).

ZFx86 требует минимального числа внешних компонентов для построения необходимого пользователю устройства. При проектировании системы на кристалле ZFx86 инженеры компании ZF Micro Devices стремились создать недорогой полностью х86-совместимый однокристальный компьютер.

Структурная схема ZFx86 приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема ZFx86

32-бит процессор

ZFx86 содержит 32-бит микропроцессор 586 FP DX, производимый фирмой Cyrix.

Процессорное ядро содержит 8 Кбайт кэш-памяти, которая конфигурируется для работы в режиме сквозной и обратной записи.

Режим обратной записи исключает ненужные циклы записи во внешнюю память, что повышает общую производительность процессора.

Процессор поддерживает 8-, 16- и 32-бит типы данных и работает в реальном, виртуальном 8086 и в защищ╦нном режимах.

Центральный процессор способен адресовать 256 Мбайт физической памяти, используя 32-бит шину c режимом пакетного доступа.

Инструкции с плавающей точкой выполняются параллельно, при помощи математического сопроцессора.

Структурная схема центрального процессора приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема центрального процессора

North Bridge

Блок North Bridge традиционно присутствует в архитектуре процессоров Pentium класса. North Bridge реализован на PC87750 PCI системном контроллере, разработанном для процессоров класса Pentium. Блок-схема North Bridge приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Блок-схема North Bridge

North Bridge обеспечивает интерфейс центрального процессора с остальными ресурсами кристалла и организует циклы работы внутренней системной шины кристалла.

Одной из основных задач North Bridge является управление SDRAM-памятью.

На сегодняшний день SDRAM-память является более предпочтительной, чем EDO и Fast Page Mode память, так как, во-первых, SDRAM-память более быстродействующая, чем EDO и Fast Page Mode DRAM, а во-вторых, EDO и Fast Page Mode память стремительно устаревают, и в скором времени возникнут проблемы с их покупкой, поэтому ZF остановил свой выбор на SDRAM-памяти.

ZFx86 имеет 4 банка памяти с общим объ╦мом 256 МБайт.

Одним из важных преимуществ ZFx86, по сравнению с аналогичной продукцией фирм-конкурентов, является то, что SDRAM-контроллер в ZFx86 поддерживает 16- и 32-бит шины DRAM. Это сделано потому, что большинство продаваемых сегодня на рынке микросхем памяти DRAM имееют 16-бит организацию. В то же время, процеcсоры других производителей (MediaGX фирмы NATIONAL SEMICONDUCTOR, Pentium фирмы INTEL и STPC фирмы ST Microelectronics) имеют 64-бит шину DRAM.

Для приложений, требующих компактный встраиваемый контроллер с небольшим объ╦мом памяти, решение на базе ZFx86 позволит сэкономить 30√40$.

North Bridge также осуществляет арбитраж шины PCI и определяет, какое устройство будет управлять этой шиной. North Bridge поддерживает три внешних устройства и два внутренних (это CPU и South Bridge).

North Bridge поддерживает режим управления энергопотребления, формируемый модулем South Bridge.

South Bridge

Модуль South Bridge является улучшенным PCI-ISA-мостом, обеспечивая ISA/AT-функционирование. Структура модуля приведена на рис. 4.

Рисунок 4. Структура модуля South Bridge

South Bridge стыкуется с системным контроллером North Bridge по внутренней шине FRONT PCI и организует системный PCI-интерфейс, обеспечивая внешнюю шину PCI (Back Side PCI).

Модуль содержит IDE-контроллер, поддерживающей до четыр╦х ATA-совместимых устройств, USB хост-контроллер на два порта (совместим со спецификацией USB1.1).

IDE- и USB-контроллеры поддерживают режим PCI bus mastering и стыкуются с быстродействующей PCI-шиной, обеспечивая высокопроизводительную работу системы со скоростной периферией.

Интегрированная подсистема ввода/вывода содержит:

контроллер Floppy-дисковода; два стандартных последовательных порта полностью совместимых с 16550А и 16450 со скоростью передачи данных до 1,5 Мбод; инфракрасный порт; параллельный порт (EPP, ECC, IEEE 1284 полностью совместимый); часы реального времени (совместимые с DS1287, MC146818 и CP87911); интерфейс ACCESS BUS (совестим с SMBus и I²C).

В табл. 1 приведены интерфейсы, реализованные в ZFx86.

Таблица 1. Сравнение шин

Тип шины Скорость, Mбайт/с Дистанция Шум Сложность устройства Access (I²C) 0,1875 15 дюймов низкий простая Serial 0,0115 100 футов средний/ высокий средняя Parallel 10 футов низкий средняя ISA 4 12 дюймов низкий высокая USB 1,2,4 5 футов высокий средняя PCI 132 4 дюйма низкий высокая IDE 4 12 дюймов низкий высокая GPIO 1 12 дюймов низкий простая IrDA 0.115-4.0 Z-Tag 1,5 простая

Система ZFx86 является AT-совместимой, что достигается наличием на кристалле следующих компонентов:

8259A контроллер прерываний; 8254 таймер; 8237 контроллер прямого доступа к памяти.

Модуль South Bridge выполняет функции контроля энергопотребления системы на кристалле ZFx86.

ZF Логика - ZFL

Система на кристалле ZFx86 содержит блок ZFL, который реализует набор дополнительных функций. Внутри кристалла блок ZFL стыкуется с ISA-шиной.

ZFL реализует управление внешней памятью (ОЗУ и ПЗУ) и внешними устройствами ввода/вывода, подключенными к ISA-шине.

ZFL содержит Watchdog-таймер, один канал ШИМ-генератора, который позволяет реализовать управление постоянным напряжением, что требуется для питания LCD с подсветкой.

Кроме этого, в состав ZFL входит Bootstrap-регистр (доступный только для чтения), содержащий 24 сигнала с ISA-шины, который хранит конфигурационные данные системы.

Система тактирования ZFx86 предствалена в табл. 2.

Таблица 2. Система тактирования ZFx86

Функциональный блок Тип Вывод Обозначение Частота System clock Input A20 SYSCLK 1 to 66MHza Real-time clock Crystal AE01 32KHZ_C 32768Hz Real-time clock Crystal AF01 32KHZC_C 32768Hz 8254 timer Input AC14 14MHz_C 14.318MHzb Super-IO Input AE15 USB_48MHz_C 48MHzc ISA bus Output AC02 ISACLK_C Der ived from PCI Backside PCI Output U25 PCICLK_C SYSCLK of SYSCLK/2 SDRAM Output B22 SDRAM_CLK[0] SYSCLK SDRAM Output A22 SDRAM_CLK[1] SYSCLK SDRAM Output B21 SDRAM_CLK[2] SYSCLK SDRAM Output A21 SDRAM_CLK[3] SYSCLK Optional 32 KHz Output AD12 GPIO[0]d GPIO pin can be programmed to output this frequency Optional 14 MHz Output AF10 GPIO[4]d ZTAG и BUR

На кристалле ZFx86 содержится специальная область памяти (BUR - BIOS Update ROM), предназначенная для обновления содержимого FLASH ПЗУ, содержащего BIOS.

Память BUR содержит минимально необходимый код для считывания данных из внешнего источника в процессор ZFx86 для последующей записи данных во FLASH.

Соединение чипа ZFx86 и внешнего источника данных может быть осуществлено, используя специально разработанный Z-TAG-интерфейс, или через последовательный порт, что позволяет реализовать управление процессом обновления программ с удал╦нного терминала.

Интегрированная среда разработки

Интегрированная среда разработки IDS для ZFx86 представляет собой отладочную плату ATX-формата с видеокартой и сетевой картой.

Комплект IDS содержит:

процессор ZFx86; 10/100Base-T Ethernet (PCI) контроллер; VGA/XGA/SVGA/SXGA CRT-контроллер (PCI); два последовательных порта (один переключаемый на IrDA); параллельный порт; три слота расширения PCI; два слота расширения ISA; два USB-порта; PS/2 клавиатура и мышь; Floppy-дисковод; IDE (ATA-4) дисковод; CD ROM; системное программное обеспечение и утилиты; Blue Cat Linux; Red Hat Linux 6.X полный дистрибутив; Phoenix BIOS; Caldera DR-DOS; Wind River VxWorks RTOS. Часто задаваемые вопросы по архитектуре ZFx86

Почему в качестве центрального процессора в составе ZFx86 используется CYRIX 586 FP DX, а не Pentium?

Использование Pentium в качестве центрального процессора, во-первых, усложняет систему, а во-вторых, увеличивает стоимость системы на кристалле. CYRIX 586 FP DX является по сути улучшенным 486/133-ядром. Архитектура, использующая 486/133 ядро с шинами PCI и ISA и разв╦рнутой системой ввода/вывода, является оптимальной для реализации управляющих контроллеров встраиваемых систем. Так, в ZFx86 ядро 486/133 имеет окружение (North Bridge и South Bridge), аналогичное тому, которое реализовано в процессорах класса Pentium, что обеспечивает высокопроизводительную работу системы на кристалле при невысокой цене.

Почему ZFx86 не содержит на кристаллеграфический контроллер и Ethernet-контроллер?

Стоимость кристалла, содержащего графический и Ethernet-контроллеры, значительно возрастает, однако не во всех задачах эти компоненты оказываются востребованными, поэтому на кристалле ZFx86 их нет. Большой ряд приложений (прежде всего, для телекоммуникационного рынка и мультимедиа систем) требует наличия этих контроллеров в системе. Для таких применений ZF Micro Devices планирует начать выпуск вспомогательного Companion-чипа, содержащего графический контроллер и Ethernet-контроллер и стыкующегося с основным чипом ZFx86 по шине PCI.

Система на кристалле ZFx86 выпускается в 388-выводном BGA-корпусе, в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах.

Выводы и сравнения

Сегодня многие ведущие фирмы-производители электронных компонентов выпускают микропроцессоры, предназначенные для встраиваемых управляющих контроллеров (Embedded system). Однако микросхема становится действительно системой на кристалле, только если аппаратная архитектура поддерживается необходимым системным программным обеспечением (BIOS, операционные системы, утилиты).

ZFx86 имеет программную совместимость с операционными системами Linux, DOS, WinCE, Windows 9x/NT и VxWorks (RTOS).

Для покупателей чипов ZFx86 ZF Micro Devices предоставляет лицензию на PhoenixBIOS, целевую лицензию на использование ядра VxWorks и Caldera DOS бесплатно.

Нельзя не отметить низкое энергопотребление ZFx86. При тактовой частоте 133 МГц кристалл потребляет 0,5 Вт. Для сравнения, встраиваемые микропроцессоры фирм AMD (ELAN400, ELANSC520), Transmeta (TM3120), National Semiconductor (Geode GXLV) и ST-Microelectronics (STPC) потребляют не меньше 2 Вт.

Табл. 3 содержит сводные сравнительные характеристики ZFx86 и процессоров других производителей.

ZF Micro ZFx86
PC-on-a-Chip AMD
Elan400 AMD ElanSC520 Transmeta Crusoe TM3120 National Semicon- ductor
Geode GXLV ST Microelec- tronics
STPC Industrial CPU Speed 128MHz 33, 66, 100MHz 100, 133MHz 333√400MHz Up to 266MHz 66, 80, 100MHz Power Requirement 33MHz 251mW

66MHz 319mW

100MHz 352mW

128MHz 716mW

(with APM anabled) 33MHz 0,8W

66MHz 1,6W

100MHz 2,2W 100MHz 1,7W

133MHz 2,0W 1√2W 266MHz 2,5W 80MHz 4,2W L1 Cache 8K 8K 16K 96K 16K 8K FPU YES NO YES YES YES YES Total Active Devices Required ZFx86, 1 DRAM 1 Flash* SC400, 1 DRAM, 1 Flash* SC520, 1 DRAM, 1 Flash* TM 3120, 4 DRAM, 2 Flash* GXLV, CS5530, 4 DRAM, 1 Flash* ST PC, 4 DRAM, 1 Flash* Fully PC Compatible YES NO NO NO NO NO DMA Controller 8237/AT compatible 7-ch.
Internal/ 2 ext. 8237/AT comp.
2-channels 8237/AT comp.
4 ext. channels NO (2) 8237-equivalent 8237/AT comp.
7-channels Interrupt Controller (2) 8259/AT compatible,
16 IRQs,
ISA PCI (2) 8259/AT compatible,
8 IRQs 22 interrupts (all muxed ex. 4 PCI) NO (2) 8259A-equivalent (2) 8259/AT comp.
16 IRQs,
ISA PCI Timer/Counters (3) 8254 compatible YES YES (3) NO 8254-equivalent (3) 8254 compatible Z-TAGTM YES NO NO NO NO NO ZF-LogicTM YES NO NO NO NO NO FailSafe BOOT YES NO NO NO NO NO BIOS license YES NO NO NO NO NO Linux Image YES NO NO YES NO NO RTO/S YES VxWorks NO NO NO NO NO ISA BUS YES partial NO NO YES multi plexed PCI BUS YES NO YES NO YES multi plexed I²C BUS YES NO YES NO YES NO USB YES NO NO NO NO NO Ser ial Ports 2 (16550) 1 (16550) 2 (16550)
(1 multi plexed) NO NO 2 (1 multi plexed)
(15540) Parallel Port YES YES NO NO NO multi plexed Floppy Controller YES NO NO NO NO NO EIDE YES NO YES NO NO NO Graphics NO CGA only NO NO YES YES PC/AT Keyboard YES NO NO NO NO multi plexed PS2 Mouse YES NO NO NO NO multi plexed PCMCIA NO YES (dual) NO NO No YES (single) IrDA infrared port YES YES NO NO YES NO DRAM Bus 16/32 bit 16/32 bit 32 bit only 64 bit only 64 bit only 64 bit only DRAM Controller SDRAM EDO Fast Page SDRAM SDRAM SDRAM SDRAM Real-Time Clock YES YES YES YES YES NO GPIO 8 32 (all muxed) 32 (all muxed) ? YES NO Watchdog Timer YES
(dual H/W-S/W) NO YES
(dual H/W-S/W) NO NO NO Pulse Width Mod. YES
(up to 100KHz) NO NO NO NO NO External FLASH decode logic YES NO YES NO YES NO Software Compatibility Linux, WinCE, Windows 9x, Windows NT, Var ious RTOS WinCE, Windows 9x, Linux PSO8, RTXC, VxWorks, WinCE Linux, WinCE, Windows 9x, Windows NT Linux, WinCE, Windows 9x, Windows NT, Varlous WinCE, Windows 9x, Windows NT, Linux Standard Temp Rating 33MHz
(-40 to 85C)

66MHz
(-40 to 85C)

100MHz
(-40 to 85C)

128MHzbr>(-20 to 70C) 33MHz
(-40 to 85C)

66MHz
(-10 to 70C)

100MHz
(0 to 70C w/heatsink) 100MHz
(0 to 85C)

133MHz
(0 to 85C) ? RTOS

0√85C 66, 80, 100MHz

(0 to 70C with heatsink) Voltage 2,2V ≈ 2,7V Core

3,3 I/O 5V tolerant 3,3 2,5 core, 3,3 I/O 1,5



2,5 core, 3,3 Advanced Power Management YES YES YES YES 3,3 I/O, 5V tolerant
YES YES Package 388-ball gr id array 292-ball gr id array 388-ball gr id array 474-ball gr id array 352-ball gr id array 388-ball gr id array

Более подробную информацию о системе ZFx86 можно получить в офисе ⌠Макро Тим■ или в интернете на сайте







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2018 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.